(57)【要約】【課題】  板材の強度低下を抑制、更には防止して、従来よりも長い期間安定した品質を維持可能な連続鋳造用鋳型の製造方法を提供する。【解決手段】  溶鋼を鋳造する鋳型本体を構成する銅又は銅合金からなる板材１０の溶鋼接触面１１側に溶射被膜１２を形成して加熱処理を行う連続鋳造用鋳型の製造方法において、板材１０の少なくともメニスカス部１３の冷却状態を維持しながら、他の部位を加熱処理する。また、板材３０に加熱処理を行った後、更に冷却速度が１０℃／秒以上の水冷処理を行う。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶鋼を鋳造する鋳型本体を構成する銅又は銅合金からなる板材の溶鋼接触面側に溶射被膜を形成して加熱処理を行う連続鋳造用鋳型の製造方法において、
前記板材の少なくともメニスカス部の冷却状態を維持しながら、他の部位を加熱処理することを特徴とする連続鋳造用鋳型の製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の連続鋳造用鋳型の製造方法において、前記メニスカス部の冷却は、該メニスカス部に面接触可能な水冷手段を配置して行うことを特徴とする連続鋳造用鋳型の製造方法。
【請求項３】
請求項１及び２のいずれか１項に記載の連続鋳造用鋳型の製造方法において、前記板材はＣｒ及びＺｒを含有する銅合金であって、該板材の加熱処理の際の前記メニスカス部の温度を５００℃以下とすることを特徴とする連続鋳造用鋳型の製造方法。
【請求項４】
溶鋼を鋳造する鋳型本体を構成する銅又は銅合金からなる板材の溶鋼接触面側に溶射被膜を形成して加熱処理を行う連続鋳造用鋳型の製造方法において、
前記板材に前記加熱処理を行った後、更に冷却速度が１０℃／秒以上の水冷処理を行うことを特徴とする連続鋳造用鋳型の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶鋼を鋳造するための連続鋳造用鋳型の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、連続鋳造用鋳型（以下、単に鋳型ともいう）は、溶鋼を鋳造するため、銅又は銅合金からなる板材で構成された鋳型本体を有している。
この板材の主成分は、Ｃｕであるが、強度を上げるため、例えば、Ｃｒ及びＺｒがそれぞれ添加されたものもある。しかし、板材の溶鋼接触面側は、溶鋼を鋳造して得られる鋳片及びパウダーによって摩耗を受けるため、例えば、Ｎｉ基自溶性合金の溶射被膜が形成されている（例えば、特許文献１参照）。
このような溶射被膜は、一般的に板材表面にブラスト処理を行った後に、この表面に形成されている。そして、板材に溶射被膜を形成した後は、約１０００℃程度の加熱処理、即ちフュージング処理を行っている。なお、フュージング処理が終了した後は、この板材を空冷（例えば、２０℃／分程度）している。
これにより、溶射被膜を再溶融させ、溶射の際に問題となる板材と溶射被膜との密着強度、及び溶射被膜の強度を向上させることができる。
【０００３】
【特許文献１】特開昭６３−３５７６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、フュージング処理は、前記したように高温域で行っているため、板材が再結晶し、板材の強度が、処理しない場合と比較して、例えば、５０％程度低下する。このため、フュージング処理を行った板材で構成される鋳型を使用して、溶鋼を鋳造する場合、特に熱負荷の大きい板材のメニスカス（湯面）部で早期にクラックが発生する懸念があり、鋳型寿命が低下する恐れがある。
【０００５】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、板材の強度低下を抑制、更には防止して、従来よりも長い期間安定した品質を維持可能な連続鋳造用鋳型の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記目的に沿う第１の発明に係る連続鋳造用鋳型の製造方法は、溶鋼を鋳造する鋳型本体を構成する銅又は銅合金からなる板材の溶鋼接触面側に溶射被膜を形成して加熱処理を行う連続鋳造用鋳型の製造方法において、
前記板材の少なくともメニスカス部の冷却状態を維持しながら、他の部位（メニスカス部を除く全部又はメニスカス部を除く必要な箇所）を加熱処理する。
ここで、板材のメニスカス部とは、溶鋼を鋳造するに際し、鋳型本体内に供給された溶鋼の湯面近傍の位置を意味する。
【０００７】
第１の発明に係る連続鋳造用鋳型の製造方法において、前記メニスカス部の冷却は、該メニスカス部に面接触可能な水冷手段を配置して行うことが好ましい。
ここで、水冷手段は、板材のメニスカス部に面接触可能であれば、メニスカス部からはみ出してもよい。
【０００８】
第１の発明に係る連続鋳造用鋳型の製造方法において、前記板材はＣｒ及びＺｒを含有する銅合金であって、該板材の加熱処理の際の前記メニスカス部の温度を５００℃以下とすることが好ましい。
ここで、Ｃｒ及びＺｒを含有する銅合金とは、従来使用されているクロムジルコン銅と呼ばれるものであり、析出硬化型の銅合金である。
【０００９】
前記目的に沿う第２の発明に係る連続鋳造用鋳型の製造方法は、溶鋼を鋳造する鋳型本体を構成する銅又は銅合金からなる板材の溶鋼接触面側に溶射被膜を形成して加熱処理を行う連続鋳造用鋳型の製造方法において、
前記板材に前記加熱処理を行った後、更に冷却速度が１０℃／秒以上の水冷処理を行う。
ここで、板材の水冷処理は、例えば、加熱処理を行った板材を、そのまま水中に投入したり、また加熱処理を行った板材に大量の水をかけて行うことができる。
【発明の効果】
【００１０】
第１の発明の連続鋳造用鋳型の製造方法は、板材の少なくともメニスカス部の冷却状態を維持しながら、他の部位を加熱処理するので、溶鋼を鋳造するに際して最も問題となる板材のメニスカス部の再結晶を抑制しながら、板材と溶射被膜との密着性を向上できる。これにより、再結晶に起因する板材の強度低下を抑制、更には防止できるので、従来よりも長い期間安定した品質を維持可能な連続鋳造用鋳型を製造できる。
【００１１】
第２の発明の連続鋳造用鋳型の製造方法は、板材に加熱処理を行うので、板材と溶射被膜との密着性を向上させることができる。そして、この加熱処理を行った後、更に冷却速度が１０℃／秒以上の水冷処理を行うので、従来のような空冷処理よりも冷却速度を上昇させて板材の溶体化処理を十分にできる。これにより、溶鋼を鋳造するに際して問題となる板材の強度低下を抑制できるので、従来よりも長い期間安定した品質を維持可能な連続鋳造用鋳型を製造できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
ここで、図１は本発明の第１の実施の形態に係る連続鋳造用鋳型の製造方法の説明図、図２（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ同連続鋳造用鋳型の製造方法を適用する水冷手段の側面図、正面図、図３は本発明の第２の実施の形態に係る連続鋳造用鋳型の製造方法の説明図である。
【００１３】
図１に示すように、本発明の第１の実施の形態に係る連続鋳造用鋳型の製造方法は、溶鋼を鋳造する鋳型本体を構成する銅合金からなる板材１０の溶鋼接触面１１側に溶射被膜１２を形成して加熱処理を行う方法であり、板材１０の少なくともメニスカス部（例えば、板材１０の端部から１ｍの範囲）１３の冷却状態を維持しながら、他の部位を加熱処理する方法である。以下、詳しく説明する。
【００１４】
鋳型本体は、所定の間隔を開けて配置される一対の短片部材と、この一対の短片部材を両側から挟み込むように配置される一対の長片部材とを有している。これにより、一対の短片部材と一対の長片部材とで囲まれる部分は、平面視して略矩形状（例えば、正方形又は長方形）となるため、鋳型本体に溶鋼を流し込むことで、この形状に対応した鋳片が製造される。
この各短片部材及び長片部材は、銅合金からなる板材１０と、この板材１０の裏面側に取付けられるステンレス製のバックプレート（図示しない）で構成される。
この板材１０の各種処理について、以下説明する。
【００１５】
まず、板材１０の溶鋼接触面１１側（鋳型本体の組み立て時に板材１０の対向する面側）で、鋳型本体の構成の際にその上部を除く部分に、Ｎｉ電気めっきを施す。この板材１０を構成する銅合金は、Ｃｒ及びＺｒを含有するクロムジルコン銅と呼ばれるものであり、析出硬化型の銅合金である。なお、Ｃｒ及びＺｒの含有量としては、例えば、Ｃｒ：０．５質量％以上１．５質量％以下、Ｚｒ：０．０８質量％以上０．３０質量％以下である。
そして、めっき表面にブラスト処理を行い、更に鋳型本体の用途に応じた金属（合金）又はセラミックスからなる溶射被膜１２を形成した後、約１０００℃程度の加熱処理、即ちフュージング処理を行う。
【００１６】
このフュージング処理を行うに際しては、板材１０のメニスカス部１３に、水冷手段１４を配置する。水冷手段１４は、図１、図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、板材１０の溶鋼接触面１１側に配置される板状の水冷ジャケット（水冷板ともいう）１５と、板材１０の他面側に配置される支持板１６とを有しており、板材１０を両側から挟み込むように配置した後、板材１０の幅方向両側に取付けられる複数のボルト１７とナット１８により、その位置が固定されている。
この水冷ジャケット１５は、銅又は銅合金で構成され、その幅Ｗ１が板材１０の幅Ｗ２よりも広く（例えば、幅Ｗ２より２０ｃｍ以上５０ｃｍ以下広く）、その長さＬが少なくとも板材１０のメニスカス部１３の縦方向を覆う長さ（例えば、３０ｃｍ以上１００ｃｍ以下）であり、その厚みが、例えば、３ｃｍ以上１０ｃｍ以下となっている。
【００１７】
水冷ジャケット１５の内部には、ジグザグ状になった導水孔（図示しない）が形成され、この導水孔の水供給口１９と水排出口２０が、水冷ジャケット１５の側壁部２１に設けられ、水供給口１９に水供給管２２が、また水排出口２０に水排出管２３がそれぞれ接続されている。なお、水冷ジャケット１５の使用に際しては、ポンプ（図示しない）を作動させ、冷却水を水供給管２２へ連続的に供給することで、この冷却水が導水孔を通過した後、水排出管２３から排出される。なお、水冷ジャケット１５は、板材１０に面接触可能となっているので、板材１０の冷却効率を高めることができる。
また、支持板１６は、ステンレスで構成され、その幅が水冷ジャケット１５と略同じで、その長さが水冷ジャケット１５と同等又はそれより長く、その厚みが、例えば、１ｃｍ以上５ｃｍ以下となっている。
【００１８】
この水冷手段１４を、水冷ジャケット１５の表面２４が板材１０のメニスカス部１３を覆うように配置した後、その位置を複数のボルト１７とナット１８を使用して固定し、水冷手段１４が装着された状態の板材１０を、例えば、鋼又は耐火物で構成された熱処理ケース２５内に装入する。
そして、板材１０を熱処理ケース２５内に装入した後は、内部に不活性ガス（アルゴンガスが好ましい）を充填し、これを電気炉（図示しない）に装入して、フュージング処理を行う。
なお、冷却ジャケット１５への冷却水の供給は、フュージング処理を開始する前から行っているので、板材１０の少なくともメニスカス部１３の冷却状態は維持される。このため、板材１０のメニスカス部１３以外（他の部位）には、通常のフュージング処理がなされる。
【００１９】
このフュージング処理に際しては、その処理温度が高温であるため、冷却が行われている板材１０のメニスカス部１３も温度が上昇するが、その温度が５００℃以下となるように、冷却水の供給量をポンプで調整する。
ここで、板材１０のメニスカス部１３の温度が５００℃を超える場合、再結晶が起こり、強度が低下する恐れがある。一方、下限値については、常温でも問題無いため規定していないが、現実的には１００℃、更には２００℃程度である。
このことから、板材１０のメニスカス部１３の強度低下を抑制、更には防止するため、その温度を、好ましくは４７０℃以下、更に好ましくは４５０℃以下とする。
【００２０】
以上の方法でフュージング処理が終了した板材１０を、熱処理ケース２５と共に電気炉から取り出し、更に板材１０を熱処理ケース２５から取り出す。そして、板材１０全体の温度が、例えば５００℃以下になるまで、冷却水を供給し続けた後、板材１０を常温程度まで更に冷却して、鋳型本体の組み立てに使用する。
このように、板材１０のメニスカス部１３は、フュージング処理の際にも、常時冷却状態が維持されているので、フュージング処理による温度の影響も少なく、強度の低下を抑制、更には防止できる。
【００２１】
次に、本発明の第２の実施の形態に係る連続鋳造用鋳型の製造方法について説明する。
図３に示すように、本発明の第２の実施の形態に係る連続鋳造用鋳型の製造方法は、溶鋼を鋳造する鋳型本体を構成する銅合金からなる板材３０の溶鋼接触面３１側に溶射被膜３２を形成して加熱処理を行う方法であり、板材３０に加熱処理を行った後、更に冷却速度が１０℃／秒以上の水冷処理を行う方法である。以下、詳しく説明する。
【００２２】
まず、前記した方法で、溶鋼接触面３１側に溶射被膜３２を形成した板材３０を、そのままの状態で、例えば、鋼又は耐火物で構成された熱処理ケース３３内に装入する。そして、板材３０を熱処理ケース３３内に装入した後は、内部に不活性ガス（アルゴンガスが好ましい）を充填し、これを電気炉に装入して、約１０００℃程度の加熱処理、即ちフュージング処理を行う。
そして、フュージング処理が終了した板材３０を、熱処理ケース３３と共に電気炉から取り出し、板材３０を熱処理ケース３３から取り出した後、そのまま貯水槽（図示しない）内へ投入し、水冷処理を行う。
【００２３】
水冷処理は、板材３０の冷却速度を１０℃／秒以上にしている。
ここで、板材３０の冷却速度が１０℃／秒未満の場合、結晶粒が粗大化し、強度が低下する恐れがある。一方、上限値については、更に大きくても問題無いため規定していないが、現実的には７００℃／秒、更には５００℃／秒程度である。
このため、板材３０の強度低下を抑制するため、その冷却速度を、好ましくは５０℃／秒以下、更に好ましくは１００℃／秒以下（望ましくは２００℃／秒以下）とする。
以上の方法で製造した板材３０を、鋳型本体の組み立てに使用する。
このように、フュージング処理後の板材３０に、水冷処理を行うので、冷却過程における結晶粒の溶体化を十分にして、強度の低下を抑制できる。
【実施例】
【００２４】
次に、本発明の作用効果を確認するために行った実施例について説明する。
ここでは、加熱処理（フュージング処理）を行っていない板材を基準として、板材のメニスカス部を局部的に冷却（温度：４５０℃）した板材、及び加熱処理後に急冷（冷却速度：５０℃／秒）した板材を実施例とし、冷却しない従来の加熱処理材を比較例として、その各物性値について検討した。
【００２５】
【表１】
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【００２６】
表１から明らかなように、従来の加熱処理材は、加熱処理を行っていない板材と比較して、０．２％耐力が５０％程度、引張強さが３０％程度低下しており、鋳型本体の材料としては、好ましくない結果が得られた。
一方、溶射被膜の施工範囲外である板材のメニスカス部を局部冷却することによって、０．２％耐力及び引張強さ共に、加熱処理を行っていない板材と同等の数値が得られ、メニスカス部の強度低下を完全に防止できることを確認できた。また、加熱処理後に板材を急冷することで、更にその後の時効により、加熱処理を行っていない板材と比較して、０．２％耐力を８５％、引張強さを９１％まで回復させることを確認できた。
【００２７】
続いて、板材の疲労寿命を検討した結果について説明する。
溶鋼の鋳造に際しては、鋳造中の熱負荷により、板材に熱応力が発生し、特に温度の高いメニスカス部付近の板材表面が、僅かながら塑性域に達する。このとき、板材は、熱間と冷間の繰り返し荷重を受ける。このため、低サイクル疲労破壊によって、板材表面にクラックが発生する。また、０．２％耐力が低いほど、塑性歪みが発生し、疲労寿命が低下する。
そこで、前記した４種類の板材について、一般的な熱負荷条件（メニスカス部の最大温度３５０℃程度）及び拘束条件にて、弾塑性ＦＥＭ解析により、板材表面の湯面付近に発生したひずみ量（弾性歪み＋塑性歪み）を求め、マンソンの共通勾配法により、疲労寿命を比較した。
【００２８】
【表２】
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【００２９】
表２から明らかなように、板材のメニスカス部を局部冷却した板材は、従来の加熱処理材と比較してひずみ発生量が少なく（０．１２％）、加熱処理を行っていない板材と同等の数値が得られた。このため、疲労寿命は、従来の加熱処理材の１５２倍となり、板材の寿命を非常に長くできることを確認できた。
また、加熱処理後に板材を急冷し、更にその後の時効を利用した板材についても、従来の加熱処理材と比較してひずみ発生量が少なく（０．１５％）、加熱処理を行っていない板材よりも僅かに低下する程度の結果が得られた。このため、疲労寿命は、従来の加熱処理材の４７倍となり、板材の寿命を長くできることを確認できた。
以上のように、本実施例の板材は、通常の加熱処理した板材と比較して、疲労寿命を大きく向上でき、従来よりも長い期間安定した品質を維持可能な連続鋳造用鋳型を製造できる。
【００３０】
以上、本発明を、実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。例えば、前記したそれぞれの実施の形態や変形例の一部又は全部を組合せて本発明の連続鋳造用鋳型の製造方法を構成する場合も本発明の権利範囲に含まれる。また、鋳型本体の開口部の形状も、製造する鋳片の断面形状に応じて種々変更できる。
前記実施の形態においては、鋳型本体の各短片部材及び各長片部材の板材に、それぞれ前記実施の形態における処理がなされた板材を使用した場合について説明したが、各短片部材及び各長片部材のいずれか一方の板材に、前記実施の形態における処理がなされた板材を使用することも可能である。
【００３１】
そして、前記実施の形態においては、板材、水冷ジャケット、及び支持板の幅、長さ、及び厚みを記載したが、これらの数値はこれに限定されるものではなく、溶鋼を鋳造する鋳型本体の仕様に応じて種々変更できる。
更に、前記実施の形態においては、板材をＣｒ及びＺｒを含有する銅合金で構成した場合について説明したが、更に他の元素が含まれる銅合金で構成してもよく、また、銅合金として他の銅合金で構成することも、更に銅のみで構成することも勿論可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る連続鋳造用鋳型の製造方法の説明図である。
【図２】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ同連続鋳造用鋳型の製造方法を適用する水冷手段の側面図、正面図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係る連続鋳造用鋳型の製造方法の説明図である。
【符号の説明】
【００３３】
１０：板材、１１：溶鋼接触面、１２：溶射被膜、１３：メニスカス部、１４：水冷手段、１５：水冷ジャケット、１６：支持板、１７：ボルト、１８：ナット、１９：水供給口、２０：水排出口、２１：側壁部、２２：水供給管、２３：水排出管、２４：表面、２５：熱処理ケース、３０：板材、３１：溶鋼接触面、３２：溶射被膜、３３：熱処理ケース
【図１】
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【図２】
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【図３】
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